Grunnleggende kjemiske reaksjoner av polyuretanskum
Polyuretan blir noen ganger referert til som PU, som er forkortelsen for polyuretan. Som navnet antyder, er det oppkalt etter uretan dannet ved reaksjonen av isocyanat og hydroksylforbindelse som dens karakteristiske kjede. Men faktisk er det mange kjemiske reaksjoner involvert i polyuretan, spesielt polyuretanskum, og det er ikke mange hovedreaksjoner som virkelig har innflytelse. De fleste av de kjemiske reaksjonene til polyuretan er relatert til de kjemiske egenskapene til isocyanat NCO i isocyanater. NCO kan ikke bare reagere med hydroksylforbindelser for å danne karbamater, men reagerer også med andre "aktive hydrogen"-forbindelser for å danne forskjellige kjemiske koblinger. Derved endres den kjemiske bindingsstrukturen og materialegenskapene til polyuretan.
Den aktive gruppen av isocyanat er isocyanat NCO. Den elektroniske strukturen til NCO viser at den har en sterk resonanseffekt. Den vanlige reaksjonen er hovedsakelig addisjonsreaksjonen av karbon-nitrogen dobbeltbinding. Forbindelser med aktivt hydrogen angriper først nitrogenatomet til NCO, og andre atomer koblet til det aktive hydrogenet tilsettes karbonatomet i isocyanatkarbonylgruppen. Den aktive hydrogenforbindelsen refererer til en forbindelse som kan erstatte et hydrogenatom med metallisk natrium, hovedsakelig inkludert hydroksylholdige alkoholer, aminoholdige aminer, vann og lignende.
Hovedreaksjonene til polyuretan kan deles inn i polymerisasjonsreaksjon, skumreaksjon og tverrbindingsreaksjon i henhold til deres funksjoner.
1. Polymerisasjon
Det vil si (1) reaksjonen mellom isocyanat og hydroksyl
NCO av isocyanat reagerer med hydroksyl-OH av alkohol (vanligvis polyeter, polyester eller annen polyol) for å danne polyuretan.
2. Skumreaksjon
reaksjonen mellom isocyanat og vann
NCO av isocyanat reagerer med vann for å danne ustabil karbaminsyre først, som deretter spaltes til amin og karbondioksid.
3. Kryssbindingsreaksjon
Inkludert (3) allofanatreaksjon og (4) biuretreaksjon
Hydrogenet på nitrogenatomet til uretangruppen reagerer med NCO i isocyanatet for å danne et allofanat. Hydrogenet på nitrogenatomet til ureagruppen i diureaet reagerer med isocyanatgruppen i isocyanatet og danner en biuret.
De to ovennevnte reaksjonene (3) og (4) er begge tverrbindingsreaksjoner. Generelt sett er reaksjonshastigheten relativt langsom. I fravær av en katalysator bør reaksjonen utføres ved 110-130 grad. Jo høyere temperatur, jo raskere reaksjonshastighet. I tillegg, fordi allofanat- og biuretlinkerne er lite stabile, det vil si at (3) og (4) er reversible reaksjoner.
For å oppsummere er det tre typer grunnleggende reaksjoner av PU: reaksjon (1) er en kjedeforlengelsesreaksjon eller polymerisasjonsreaksjon, reaksjon (2) er en gassgenereringsreaksjon eller skummende reaksjon, og reaksjoner (3) og (4) er tverrbindingsreaksjoner.
I skumprosessen til PU utføres disse reaksjonene samtidig med en relativt høy hastighet, og de fleste reaksjonene kan fullføres i løpet av noen få minutter under katalysatorbetingelser. Til slutt dannes et polyuretanskum med høy molekylvekt og en viss grad av tverrbinding.
Polymerisasjonsreaksjonen og tverrbindingsreaksjonen er hovedreaksjonene i dannelsen av polyuretanskumskjelettet, som samlet kan refereres til som gelreaksjonen; mens skumreaksjonen er hovedreaksjonen for økningen av volumet av polyuretan og dannelsen av gasskilden til den hule skumstrukturen.
Utviklingen og justeringen av alle formuleringer av polyuretanskum, inkludert mange praktiske problemer i skumproduksjon, er uatskillelige fra balansen mellom gelreaksjon og skumreaksjon.
